摘要：水力压裂是一种通过向井中注入高压流体以在岩石地层中诱导裂缝传播的技术。该处理旨在提高渗透性和井-储层连通性。然而，自然裂缝的存在会影响水力裂缝的传播，增加了水力压裂处理的复杂性，并影响裂缝网络的最终配置。此外，不同的传播制度可以根据现场条件、多孔基质、裂缝、注入流体和时间的性质而发展。这项工作引入了一种稳健的全耦合水力-力学方法，以研究自然裂缝在四种极限传播制度（韧性-储存、韧性-泄漏、粘度-储存和粘度-泄漏主导）下水力压裂的影响。所提出的方法基于有限元方法，并结合了多孔岩石地层中的孔隙压力/应力耦合和裂缝传播。在内部多物理场框架中实施了一种创新的网格碎片化技术，采用固有孔隙-粘聚区方法来模拟具有复杂裂缝模式的裂缝传播。粘聚区模型（CZM）表示水力裂缝的初始和传播，而采用莫尔-库仑准则的接触模型用于表示自然裂缝的法向闭合/开启和摩擦/剪切膨胀。新方法的结果与解析和数值解进行了比较。此外，还研究了岩石渗透率、流体粘度、初始应力状态和截角等参数对水力和自然裂缝的影响。通过模拟偏移交叉、分支、从自然裂缝尖端开始的裂缝传播和多裂缝相互作用，展示了所提出方法的鲁棒性。这些结果可- 背景：文章讨论了水力压裂技术在提高油气藏渗透性和井效率中的应用，以及自然裂缝对水力压裂传播的影响，增加了水力压裂处理的复杂性。- 研究目的：研究自然裂缝对水力压裂的影响，特别是在不同的传播机制下，包括韧性储存、韧性泄漏、粘度储存和粘度泄漏主导的传播机制。2. 治理方程 (Governing equations)- 饱和多孔介质的力学行为：基于Biot理论，考虑了各向同性和线性弹性介质在小应变下的行为。- 孔隙压力扩散：通过多孔介质的孔隙流体连续性方程，描述了流体流动和孔隙压力扩散。3. 裂缝本构关系 (Fracture constitutive relations)- 弹性行为：描述了裂缝在平面应变条件下的弹性响应。- 水力裂缝传播：使用Cohesive Zone Model (CZM) 描述水力裂缝的启动和传播。- 自然裂缝的行为：采用Mohr-Coulomb准则描述自然裂缝的正常闭合/开启和摩擦/剪切膨胀行为。- 裂缝内流体流动：考虑了裂缝内流体的不可压缩性和牛顿流体特性。![]()
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4. 有限元公式化 (Finite element formulation)- 三节点界面单元：介绍了三节点界面单元的有限元公式化过程，包括相对位移和孔隙压力的定义。5. 裂缝传播机制 (Fracture propagation regimes)- 分析解决方案：基于线性弹性断裂力学（LEFM）的分析解决方案，用于研究流体泄漏速度和裂缝传播机制。6. 水力裂缝与自然裂缝的相互作用 (Interaction between hydraulic and natural fractures)- 模型处理：讨论了如何通过特殊处理来强制裂缝沿裂缝路径连续的压力场。7. 使用内在CZM的水力裂缝传播 (Hydraulic fracture propagation using intrinsic CZM)- 裂缝传播分析：在不同传播机制下，分析了水力裂缝通过完整岩石的传播，并与自然裂缝的相互作用。![]()
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8. 总结和结论 (Summary and conclusions)- 研究贡献：文章提出了一种完全耦合的流体力学方法，用于研究自然裂缝对水力裂缝传播的影响，并在四种极限传播机制下进行了模拟。- 方法优势：展示了所提出方法的鲁棒性，能够模拟多种裂缝相互作用条件，如裂缝从裂缝尖端重新启动、偏移交叉、分支和多裂缝传播。- 主要发现：在韧性储存和泄漏主导的传播机制下，水力裂缝倾向于转向自然裂缝，并在最有利的方向上再次进入地层。在粘度储存和泄漏主导的传播机制下，水力裂缝可能导致不同类型的传播（开启、交叉、分支和偏移）。文章通过对比分析和数值模拟，提供了对水力裂缝和自然裂缝相互作用的深入理解，并为水力压裂设计和执行提供了指导。参考文献
Rueda, J., Mejia, C., Quevedo, R., & Roehl, D. (2020). Impacts of natural fractures on hydraulic fracturing treatment in all asymptotic propagation regimes. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 371, 113296. https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113296
